什么是能量载体？

什么是能量载体？

2024/01/24

为了向安全、经济的氢能社会过渡，并在2050年实现碳中和，必须建立氢气生产、储存/运输和利用的供应链，提高其效率并降低成本。为了人类继续生存，能源需求永远不会为零，而为了实现碳中和，我们必须使用氢来代替化石燃料。此外，由于日本是一个小国，我们必须继续考虑从海外输送能源。在这种情况下，为了利用氢作为下一代能源，需要能够高效、安全地运输大量氢的能源载体技术。我们采访了零排放国际合作研究中心制氢与储存基础设施研究组组长高木英幸和可再生能源研究中心副研究主任难波哲也，了解日本能源载体的现状和未来。

什么是能量载体？

对氢能的期望

氢（H）有望成为实现碳中和社会的关键技术₂）。它可以由水制成，甚至在燃烧时也可以产生二氧化碳（CO₂)。它可以以气体、液体和固体等多种状态储存和运输，预计具有高能源效率、低环境影响和在紧急情况下有用的特点（AIST杂志：什么是氢能？）。

　人们越来越期望氢能作为一种能够超越时间和空间的能源，尽可能长时间地储存能量并将其运输到需要的地方。

能源载体的挑战

　氢气在常温常压下呈气态，因此其体积较大，储存和运输所需的成本增加。此外，氢气高度易燃，因此安全措施也是一个问题。因此，为了长距离运输大量的氢，有必要将其转化为易于运输的形式。

能量载体的特征

2017年，日本在全球率先制定了氢能基本战略，提出以液化氢、有机氢化物（MCH）、氨、甲烷化（合成甲烷）为能源载体。每种能源载体都有其优势、技术问题和适合的情况，需要综合评估并努力克服技术问题。

液氢

　当氢气变成液态时，其体积约为气态的1/800，从而可以高密度运输。此外，在使用过程中很容易获得高纯度氢气，方便直接用于燃料电池汽车。日本拥有液化天然气（LNG）技术，并且利用这些技术正在开发液化氢技术。

　一个主要挑战是开发和示范建造能够承受-253摄氏度极低温度的基础设施（船舶、港口设备、储罐等）的技术。克服这些挑战是扩大液化氢使用的重要一步。

有机氢化物

　甲基环己烷（MCH）是一种有机水合物，在室温和压力下为液体，可以长期保存。由于根据消防法，它的处理方式与汽油相同，因此可以像现有石油产品一样用化学品船运输。

　当 MCH 与催化剂一起加热时，它会释放氢气并返回到甲苯，因此我们的想法是利用该反应并将其用作能量载体。这个过程需要热能，因此减少转换所需的能量是一个问题。目前预计将用于石化厂、大型发电厂等工业综合体。

氨

氨的氢含量和密度是能源载体中最高的，其液化温度为-33℃，高于液化氢。电力公司和发电厂已经拥有使用氨的设备，通过与氮氧化物（NOx）反应并使NOx无害化，用于脱硝目的。

　问题是气味和毒性。搬运时必须小心，并采取安全措施。另一个问题是如何生产氨。现在已经可以在不分解氨的情况下将其燃烧并用作燃料，但另一方面，氨的生产一般需要高温高压条件，因此需要考虑如何生产燃料氨。

甲烷化（合成甲烷）

　氢气和二氧化碳 (CO₂合成）₄)的优点是能够利用城市燃气管道等现有基础设施和设备。

　合成甲烷也被称为“电子甲烷”，但它不仅使用氢气作为原料，还使用二氧化碳₂是必需的，所以CO₂的供应源是扩大甲烷化使用的重要一步。另外，当使用在日本海外合成的甲烷时，CO₂还需要一个处理排放的国际系统。

其他储氢技术

　氢气本身的体积就很大，因此有一种方法可以通过将其转化为高压氢气来减少其体积来储存它。然而，高压氢气会渗透到金属中并使它们变脆，这是一个需要解决的问题。对此，AIST多年来一直在对加氢站等使用的材料的评估和标准化进行研究。

　另一种方法是将氢储存在金属中。在产业技术研究院，我们正在引进一种建筑物附着的氢能源利用系统，并将其从可再生能源中转化为氢气，储存在储氢合金中，然后在需要时提取氢气来发电，并进行示范实验。 （AIST 杂志：CO₂在城市中安全使用免费氢气）

　由于这些储存技术预计不会长距离运输，因此在《氢能基本战略》中并未将其列为供应链建设中的能源载体，但它们是氢能持续利用的重要技术。

能量载体研究的未来

　能源载体相关技术对于实现氢社会至关重要。由于日本是一个小国，需要更有效地利用有限的可再生能源，在一定程度上也需要从海外输送能源。由于未来将继续使用能源，因此对能源载体的需求可能永远不会消失。

　能源载体技术已经进入示范阶段，未来有必要迈向引进阶段。氢相关技术的研究和开发是有社会制度和社会实施目标的，我认为有必要从回溯的角度来看待它，并朝着这个目标进行研究。此外，建立供应链至关重要，因此与相关公司建立一对一的关系以及推进与多个公司和国家的合作举措非常重要。

　与碳中和相关的运动进展得非常快，我认为日本和海外都没有足够的研究人员和工程师来满足许多需求。 AIST开展与构建氢供应链所需的技术开发相关的所有研究，从生产到储存、运输、利用和评估。在AIST，我们的资源有限，但我们希望继续与大家合作，尽快、安全地传播氢和能源载体技术，这是实现碳中和社会的关键。